棉花遗传改良团队揭示GhKAS1_A05影响棉籽油含量分子机制

10月1日，棉花遗传改良团队在Plant Physiology and Biochemistry 期刊发表了题为“Natural variation in GhKASI_A05 modulates cottonseed oil content in Gossypium hirsutum L”的研究论文。该研究解析了棉花β-酮酰基-[酰基载体蛋白]合成酶（GhKASI）调节棉籽油积累的分子机制。

棉花是我国重要的经济作物，除了棉花纤维可以为纺织业提供原材料外，棉籽中丰富的蛋白和油份在饲料和植物油的应用中同样具有很高的经济价值，棉籽油中富含对人体有益的不饱和脂肪酸，如亚油酸（C18:2）和油酸（C18:1）。作为植物中催化脂肪酸（FA）从头合成的关键酶，KASI调节FA链从C4到C16的延伸，在水稻、油菜、芝麻等植物中已报道KASI影响植物生长发育的多个方面，包括植物种子发育、脂肪酸含量、叶绿体发育等，但KASI对棉籽油调节的研究还未有相关报道。

该研究利用503份陆地棉种质资源群体，以脂肪酸代谢路径的相关基因进行候选基因关联分析，发现位于A亚组的KASI（GhKASI_A05）与棉籽油含量（SOC）显著相关。为了确定该基因调节棉籽油的分子机制，该研究在高油种质（Hap_pro_D）和低油种质（Hap_pro_I）中对GhKASI_A05进行序列分析，发现位于GhKASI_A05启动子上的一个11bp的插入缺失（Indel）与SOC显著关联，开发的相关标记获批国家发明专利（陆地棉棉仁含油量基因GhKAS1的分子标记及其筛选方法，ZL201810200184.4）。启动子活性分析，GUS染色分析表明该变异影响GhKASI_A05的基因表达水平。

图1 GhKAS1_A05启动子变异影响基因表达水平

根据已有报道，植物AP2/EREBP家族转录因子WRINKLED1（WRI1）调节种子油的积累，为了鉴定调节GhKAS1_A05的关键调节因子，本研究筛选了一个在棉花种胚发育时期优势表达的GhWRI1基因，并通过LUC、Y1H以及EMSA互作分析，证明了GhWRI1蛋白可以直接与GhKASI_A05启动子上的AW-box顺式调控元件结合，激活GhKASI_A05的表达，并且该蛋白对11bp缺失的单倍型GhKASI_A05启动子的激活能力强于11bp插入的单倍型。

图2 GhWRI1直接结合并激活GhKAS1_A05的表达

最后，本研究利用种子特异启动子（棉花种胚发育25DPA）过表达GhKASI_A05基因，转基因棉花的种子大小、百粒重、蛋白质含量以及C16:0和C18:1含量增加，但SOC降低。本研究结果为GhKASI在棉花育种中提供了新的见解。

图3 GhKAS1调节棉籽油积累的工作模型

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2024.109159

博士研究生乐愉为该论文的第一作者，已毕业的硕士研究生赵文霞和刘欣欣开展了基因分型和表型考察，博士研究生陈美林和本科生熊新辉参与了分子机制研究。林忠旭教授为论文通讯作者，张献龙院士参与了本项目研究。该研究得到了国家自然科学基金（32172025）和国家重点研发计划项目（2023YFD2301200）的资助。